CN103427320B - 一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器，包括光纤振荡器及脉宽压缩装置；所述光纤振荡器由LD泵浦源与带通滤波器连接，带通滤波器与波分复用器连接，波分复用器与掺镱增益光纤连接，所述掺镱增益光纤连接第一单模光纤，第一单模光纤与分立元件连接，所述准直器连接第二单模光纤，第二单模光纤与波分复用器熔接；所述脉宽压缩装置由第二二分之一波片与高反镜连接，高反镜分别与第二偏振分光棱镜及两块反射式光栅连接，两块反射式光栅与银镜连接，银镜连接银镜镜架。本发明散热性好、光束质量高、结构紧凑、体积小巧、成本低廉、光转换效率高、环境稳定性好。

Description

一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，具体是一种波长1微米附近并且中心波长从1020nm到1050nm可调谐的全正色散飞秒光纤激光器。

背景技术

超短脉冲激光，是指时间上宽度极窄的脉冲激光。其高峰值功率、窄脉宽和宽光谱的特性使其在诸多领域发挥了不可替代的作用。利用超短脉冲激光作为探针的信息获取技术，比如时间分辨光谱技术、飞秒条纹相机、泵浦探测技术、时间分辨拉曼光谱、超高时间分辨扫描探针显微技术等等。这些超快速的信息获取技术大大推动了超快技术的发展。直接将物理、化学、生物、材料信息与科学的研究带入了微观超快过程领域，并开创了一些全新的领域，如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱、超高强度科学与技术等。

脉冲激光通常是由调q和锁模技术得到，但调q技术只能得到纳秒量级的脉冲，若要获得更短的脉冲则需借助锁模技术。所谓锁模就是令激光腔内的不同锁模实现纵模的锁定。块状固体激光器和光纤激光器都可以用来产生超短脉冲。虽然以钛宝石为代表的块状固体锁模激光器已经发展成为成熟的超短脉冲激光光源，并且仍然保持着峰值功率和脉冲宽度的记录，但是这种系统体积庞大，造价昂贵，且机构复杂，调节困难，维护成本高，对使用环境要求苛刻，因此其应用范围受到了极大的限制。与之相比，锁模光纤激光器则有许多明显的优势。一方面，光纤激光器所固有的散热性好、光束质量高、结构紧凑、体积小巧、成本低廉、光转换效率高、环境稳定性好等种种优点，为超短脉冲激光器的普及提供了可能。另一方面，光纤波导与块状固体相比，其色散和非线性特性更为显著，应用结构也更为灵活，从而能为锁模光纤激光器带来多种多样的脉冲整形机制。被动锁模光纤激光器相比于主动锁模光纤激光器可产生更短的波长，锁模方式可在腔内插入可饱和吸收体，也可以利用光纤本身的增益、色散和非线性效应来实现对腔内脉冲的动力学整形以获得超短脉冲输出。除真实可饱和吸收体外，光纤激光器中还常常使用等效可饱和吸收体来实现锁模。最为典型的为非线性偏振旋转锁模、非线性光学环形镜、非线性放大环形镜等。按谐振腔内色散特性不同，则腔内脉冲的动力学演化过程也不相同，从这一角度可将光纤激光器的工作方式分为孤子锁模、展宽脉冲锁模、自相似锁模和全正色散锁模。

最早出现的是工作在孤子锁模域的光纤激光器，这种激光器中色散处处为负，光纤中正的非线性效应和负的色散达到平衡时产生光学孤子。此脉冲在腔内稳定传输且没有啁啾，然而由于面积定理和周期性扰动的限制，脉冲能量只有几百皮焦耳。为了提高单脉冲能量，人们又提出了展宽脉冲锁模的方式，在激光腔中同时引入正色散元件和负色散元件，并且一般工作在近零色散区和小的正色散区。由于引入了正负色散元件，使脉冲在腔内得到周期性展宽和压缩，当脉冲引入啁啾后，增加了脉冲宽度，减少了非线性效应，使得这种脉冲的能量提高了一个数量级，但继续增加单脉冲能量则会引起不稳定。于是人们发展了自相似锁模光纤激光器，其工作在较大的正色散区，因此脉冲有较大的啁啾；又因为这种激光腔中一般引入色散延迟线进行补偿色散，因此脉冲在一个循环腔中也伴有较强的呼吸作用，这种带有近线形啁啾的抛物线形脉冲具有较强的抵御波分裂的能力。在这种情况下，无需色散补偿的全正色散锁模光纤激光器成为提高脉冲能量的有效途径，与此同时，产生飞秒量级脉冲更是有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器，该种光纤激光器所固有的散热性好、光束质量高、结构紧凑、体积小巧、成本低廉、光转换效率高、环境稳定性好。

按照本发明提供的技术方案，一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器，包括带有分立元件的光纤振荡器及光栅对腔外光栅对腔外脉宽压缩装置；所述带有分立元件的光纤振荡器由LD泵浦源输出976nm泵浦光经尾纤与带通滤波器连接，带通滤波器与波分复用器连接，波分复用器将976nm泵浦光耦合进入环形腔内，波分复用器与掺镱增益光纤连接，所述掺镱增益光纤连接第一单模光纤，第一单模光纤与环形腔的分立元件带尾纤的准直器连接，所述分立元件包括带尾纤的准直器、第一四分之一波片、第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、双折射滤波片、空间光隔离器、第二四分之一波片、准直器，所述带尾纤的准直器依次与第一四分之一波片、第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、双折射滤波片、空间光隔离器、第二四分之一波片、准直器连接，所述准直器连接第二单模光纤，第二单模光纤与波分复用器熔接。

所述光栅对腔外脉宽压缩装置包括第二二分之一波片、第二偏振分光棱镜、高反镜、第一反射式光栅、第二反射式光栅、银镜及平移台；所述第二二分之一波片与高反镜连接，高反镜分别与第二偏振分光棱镜、第一反射式光栅及第二反射式光栅连接，第一反射式光栅、第二反射式光栅分别安装在光栅镜架上；所述银镜装在光栅镜架上；所述镜架底部安装控制移动距离的平移台。

作为本发明的进一步改进，所述准直器输出口径为7.9mm，易于空间光路耦合。

作为本发明的进一步改进，所述掺镱增益光纤，掺杂浓度为1200dB/m，所述掺镱增益光纤长为24cm。

作为本发明的进一步改进，所述第一单模光纤1m长。第二单模光纤长为2.25m

作为本发明的进一步改进，所述双折射滤波片厚度分别为3.9mm，5mm，6.5mm，7.5mm；对应的滤波带宽度分别是8nm、10nm、12nm、15nm，双折射滤波片在环形腔内按布儒斯特角插入，此波片布儒斯特角为55°；旋转滤波器能实现锁模状态下光谱中心波长的连续调谐，调谐范围从1020nm到1050nm。

作为本发明的进一步改进，所述第一反射式光栅与第二反射式光栅平行放置，第一反射式光栅与第二反射式光栅间距为199mm，反射式光栅入射角35°。

作为本发明的进一步改进，所述45°高反镜中心波长1030nm，45°高反镜位置与入射光成一条直线，垂直方向上低于入射光高25mm。所述第二偏振分光棱镜尺寸为半英寸。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明结构合理，经偏振分光棱镜输出的光经半波片，反射式光栅18、银镜、45°高反镜、偏振分光棱镜后输出。通过调节三个波片，可以实现振荡器非线性偏振旋转锁模。输出光经腔外压缩装置压缩后皮秒量级的脉冲压缩为飞秒量级，350mW泵浦，滤波带宽15nm时可产生功率60mW脉宽230fs的脉冲。相比其他锁模光纤激光器，其具有较高的单脉冲能量，且机构简单；此光源可用于医学，微加工，超快测量，科学实验研究等。

附图说明

图1为本发明带有分立元件的光纤振荡器结构示意图。

图2为本发明光栅对腔外脉宽压缩装置结构示意图。

具体实施方式

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

如图1-图2所示，包括LD泵浦源1、带通滤波器2、波分复用器3、掺镱增益光纤4、第一单模光纤5、带尾纤的准直器6、第一四分之一波片7、第一二分之一波片8、偏振分光棱镜9、双折射滤波片10、空间光隔离器11、第二四分之一波片12、准直器13、第二单模光纤14、第二二分之一波片15、第二偏振分光棱镜16、高反镜17、安装在光栅镜架上的第一反射式光栅18、第二反射式光栅19、装在镜架上的银镜20，安装在反射式光栅19镜架底部的可精确控制移动距离的平移台21。

本发明波长范围1020nm到1050nm可调谐的飞秒脉冲光纤激光器。该激光器由两部分组成，一是带有分立元件的光纤振荡器，另一是光栅对腔外脉宽压缩装置；光纤振荡器输出的皮秒量级脉冲经第二部分腔外压缩装置进行色散补偿后可实现飞秒量级脉冲输出。

如图1所示，带有分立元件的光纤振荡器包括LD泵浦源1、带通滤波器2、波分复用器3、掺镱增益光纤4、第一单模光纤5、带尾纤的准直器6、第一四分之一波片7、第一二分之一波片8、第一偏振分光棱镜9、双折射滤波片10、空间光隔离器11、第二四分之一波片12、准直器13、第二单模光纤14；所述带有分立元件的光纤振荡器由LD泵浦源1输出976nm泵浦光经尾纤与带通滤波器2连接，带通滤波器2与波分复用器3连接，波分复用器3将976nm泵浦光耦合进入环形腔内，波分复用器3与掺镱增益光纤4连接，所述掺镱增益光纤4连接第一单模光纤5，第一单模光纤5与环形腔的分立元件带尾纤的准直器6连接，所述分立元件包括带尾纤的准直器6、第一四分之一波片7、第一二分之一波片8、第一偏振分光棱镜9、双折射滤波片10、空间光隔离器11、第二四分之一波片12、准直器13，所述带尾纤的准直器6依次与第一四分之一波片7、第一二分之一波片8、第一偏振分光棱镜9、双折射滤波片10、空间光隔离器11、第二四分之一波片12、准直器13连接，所述准直器13连接第二单模光纤14，第二单模光纤14与波分复用器3熔接；

所述LD泵浦源1输出976nm泵浦光经尾纤与带通滤波器2连接，带通滤波器2对960nm-990nm光高透，对1000nm-1100nm的光有较大的隔离度。带通滤波器2可以避免环形谐振腔内产生的激光返回LD，将其损坏。波分复用器3(WDM)将976nm泵浦光耦合进入环形腔内，经过24cm的掺镱增益光纤4，掺杂浓度为1200dB/m，其后接一段1m长的HI1060第一单模光纤5。带尾纤的准直器输出口径为7.9mm，易于空间光路耦合。分立元件中，三个波片为半英寸，可一维旋转；第一偏振分光棱镜9也为半英寸，空间光隔离器口径为2.7mm，隔离度为60dB，准直器13后接一段2.25m的HI1060第二单模光纤14，第二单模光纤14与波分复用器3熔接。隔离器11的作用为保证环形腔内激光单向运转，第一偏振分光棱镜9起到耦合输出与起偏的作用。锁模方式为非线性偏振旋转锁模，该激光器中，PBS9起到起偏作用，将非偏振光变为线偏振光，经第二四分之一波片12后变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经光纤后，由于非线性效应，两垂直偏振分量受到的非线性相移也不同，又由于非线性相移是强度相关的，所以脉冲不同部位由于强度不同，最终的偏振态也不相同，最后调节第一四分之一波片7与第一二分之一波片8，使脉冲中心部分透过率达到最大，而脉冲两翼透过率较小，这样就形成了一个等效可饱和吸收体，提供了锁模机制。由于该振荡器内不含色散补偿元件，腔内总色散量为较大的正色散量。该振荡器为全正色散锁模光纤激光器，锁模光纤激光器中的增益和损耗以及非线性可饱和吸收等过程，因其对脉冲振幅产生的调制作用，都可以归为耗散过程。在全正色散光纤激光器中，起关键作用的是滤波机制。该振荡器中，由于工作波长在1030nm附近，所以色散为正色散，在正的色散和自相位调制的作用下，脉冲带有正的啁啾，具有低频前沿和高频的后沿。若在激光腔内引入一个滤波装置，便能在滤去超出其带通范围的高低频成分的同时，削弱脉冲的前后沿，从而在频域和时域同时窄化脉冲。本发明中加入一块石英晶体制作的双折射滤波片，滤波透过曲线为周期高斯型，滤波带宽与滤波片厚度成反比，本发明实验中，滤波片10采用四种厚度，分别为3.9mm，5mm，6.5mm，7.5mm；对应的滤波带宽分别是8nm、10nm、12nm、15nm。滤波片10在腔内按布儒斯特角插入，此波片布儒斯特角为55°，腔内非偏振光经偏振分光棱镜后分为两垂直偏振的光，平行于入射面的光透过PBS，按布儒斯特角入射滤波片后无发射，透过率最高。当泵浦功率超过最低锁模阈值时，调节三个波片，使振荡器达到锁模状态。泵浦功率最低为248mW时可形成锁模，锁模光谱成M型，中间凹陷两边有尖峰，这是脉冲经增益光纤后进入单模光纤，在高功率作用下强非线性作用导致。谱宽可达12-24nm，一维旋转滤波片，可实现锁模状态下光谱中心波长的连续调谐，调谐范围从1020nm到1050nm。此振荡器中，对输出参数起关键作用的三个参量为群速度色散、非线性相移和滤波器带宽。由于脉冲带有较大的啁啾，脉冲宽度在1皮秒左右，为此，我们采用腔外反射式光栅对补偿色散的方法，对振荡器输出的脉冲进行压缩。

如图2所示，所述光栅对腔外脉宽压缩装置包括第二二分之一波片15、第二偏振分光棱镜16、高反镜17、第一反射式光栅18、第二反射式光栅19、银镜20及平移台21；所述第二二分之一波片15与高反镜17连接，高反镜17分别与第二偏振分光棱镜16、第一反射式光栅18及第二反射式光栅19连接，第一反射式光栅18、第二反射式光栅19分别安装在光栅镜架上；所述银镜20装在光栅镜架上；所述镜架底部安装可精确控制移动距离的平移台21。

带有分立元件的光纤振荡器的输出光经腔外压缩装置振荡器中PBS输出的光经第二二分之一波片15入射到第一反射式光栅18、第二反射式光栅19上，反射式光栅为入射角35°，第一反射式光栅18、第二反射式光栅19平行放置，第一反射式光栅18固定，第二反射式光栅19底部加平移台，入射光一级衍射极大值入射到第一反射式光栅上，第二反射式光栅一级衍射极大值入射到银镜，经银镜反射后经原光路返回，调节银镜镜架，可使原路返回的光在竖直方向上偏离入射光，经中心波长1030nm45°高反镜17反射到偏振分光棱镜，45°高反镜17位置与入射光成一条直线，垂直方向上低于入射光高25mm。

LD泵浦源1功率350mW、滤波器滤波带宽15nm时，输出锁模光功率达100mW，经两块反射式光栅压缩后，最大输出功率达60mW，两块反射式光栅间距199mm时，得到超出傅里叶变换极限百分之十五的脉冲宽度230fs。旋转图二中第二二分之一波片15，可调节图2中偏振分光棱镜后输出光功率。

将图1中空间光路部分准直后，微调镜架与波片，使耦合输出效率达到最高，在此状态下调节图1中三个波片，使振荡器达到锁模状态。改变腔内单模光纤部分可改变脉冲重复频率，同时也可改变腔内总得群速色散量。光纤长度增加总群速度色散量增加，反之减少。通过换不同厚度的滤波片可改变滤波器带宽，我们的滤波器带宽分别为8nm、10nm、12nm、15nm。滤波器下加旋转平移台，便于精确控制入射光以布儒斯特角入射。在锁模状态下旋转滤波片，可使锁模光谱的中心波长从1020nm到1050nm实现调谐；换不同厚度的滤波片后，光路需重新准直，以使其保持最好耦合效率。在腔内总色散量与泵浦功率确定时，增加滤波器带宽光谱宽度变窄，且光谱变干净。另一可改变参量是非线性相移，通过增加泵浦功率可实现，在群速色散量与滤波带宽不变的情况下，增加泵浦功率会导致非线性相移量增加，光谱宽度变宽且出现结构形状。经图一中偏振分光棱镜输出光经二分之一波片后以入射角35°入射到反射式光栅对，经计算后并实际调试图2中银镜的平移台，可得到飞秒脉冲输出。旋转图2中第二二分之一波片15可实现飞秒脉冲光功率的改变。

Claims (5)

1.一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器，包括带有分立元件的光纤振荡器及光栅对腔外脉宽压缩装置；其特征是：所述带有分立元件的光纤振荡器由LD泵浦源（1）输出976nm泵浦光经尾纤与带通滤波器（2）连接，带通滤波器（2）与波分复用器（3）连接，波分复用器（3）将976nm泵浦光耦合进入环形腔内，所述波分复用器（3）与掺镱增益光纤（4）连接，所述掺镱增益光纤（4）连接第一单模光纤（5），第一单模光纤（5）与分立元件中带尾纤的准直器（6）连接，所述分立元件包括带尾纤的准直器（6）、第一四分之一波片（7）、第一二分之一波片（8）、第一偏振分光棱镜（9）、双折射滤波片（10）、空间光隔离器（11）、第二四分之一波片（12）、准直器（13），所述带尾纤的准直器（6）依次与第一四分之一波片（7）、第一二分之一波片（8）、第一偏振分光棱镜（9）、双折射滤波片（10）、空间光隔离器（11）、第二四分之一波片（12）、准直器（13）连接，所述准直器（13）连接第二单模光纤（14），第二单模光纤（14）与波分复用器（3）熔接；

所述光栅对腔外脉宽压缩装置包括第二二分之一波片（15）、第二偏振分光棱镜（16）、高反镜（17）、第一反射式光栅（18）、第二反射式光栅（19）、银镜（20）及平移台（21）；所述第二二分之一波片（15）与高反镜（17）连接，高反镜（17）分别与第二偏振分光棱镜（16）、第一反射式光栅（18）及第二反射式光栅（19）连接，第一反射式光栅（18）、第二反射式光栅（19）分别安装在光栅镜架上；所述银镜（20）装在光栅镜架上；所述镜架底部安装控制移动距离的平移台（21）；

所述第一反射式光栅（18）与第二反射式光栅（19）平行放置，第一反射式光栅（18）与第二反射式光栅（19）间距为199mm，反射式光栅入射角35°；

所述第二偏振分光棱镜（16）为半英寸的偏振分光棱镜；

所述45°高反镜（17）中心波长1030nm，45°高反镜位置与入射光成一条直线，垂直方向上低于入射光高25mm。

2.如权利要求1所述的一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器，其特征是：所述带尾纤的准直器（6）输出口径为7.9mm。

3.如权利要求1所述的一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器，其特征是：所述掺镱增益光纤（4），掺杂浓度为1200dB/m，所述掺镱增益光纤（4）长为24cm。

4.如权利要求1所述的一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器，其特征是：所述第一单模光纤5长为1m；第二单模光纤（14）长为2.25m。

5.如权利要求1所述的一种近红外波长可调谐全正色散飞秒光纤激光器，其特征是：所述双折射滤波片（10）厚度分别为3.9mm，5mm，6.5mm，7.5mm；对应的滤波带宽度分别是8nm、10nm、12nm、15nm，双折射滤波片（10）在环形腔内按布儒斯特角插入，此波片布儒斯特角为55°；旋转滤波器能实现锁模状态下光谱中心波长的连续调谐，调谐范围从1020nm到1050nm。